体内测量骨铅浓度的X荧光分析技术
作者：黄士斌 傅华
单位：200032 上海医科大学基础医学院(黄士斌)，公共卫生学院(傅华)
关键词：
中华物理医学杂志980217 在研究铅与人体健康关系时，通常把血铅作为唯一判断铅吸收或铅接触的生物监测指标。然而，从治疗和研究方面考虑，血铅并不能有意义地作为铅毒代动力学的一个参数。铅在血液中停留的时间很短，血铅水平仅反映最近30～45天内血铅接触情况，而且血铅水平无法反映靶组织中铅的浓度。此外，血铅水平也并不反映体内实际铅负荷。事实上，铅进入体内后大部分沉积于骨中，儿童的铅体负荷中75%蓄积在骨中，成人则占90%以上。所以，骨铅浓度能反映以往整个生命历程中铅蓄积情况。另一方面，骨铅在某些情况下又可释放至血中，成为一个内源性铅库，在当前或将来对人体健康造成潜在的威协。因此，骨铅浓度的测定已成为铅中毒研究中不可缺少的一项生物监测指标。
, 百拇医药
活组织检查是测定器官或组织中铅浓度的一种方法，然而这种方法不易为受检者接受，更不宜多次重复进行。另外，测得的结果也仅是取样点的数值而不能表示器官中的平均值。因此，迫切需要一种能直接测定活体内骨铅浓度的非创伤性的体内测量方法。X荧光分析技术就是适应这种需要的一项高新技术，X荧光体内测量骨铅浓度的方法在最近的二十多年中得到了迅速的发展。世界上许多国家的实验室纷纷建立了这种体内测量系统〔1～4〕。
一、X荧光分析(XRF)的基本原理
入射光子与原子相互作用时，光电效应使原子内层轨道电子电离而形成空位。当电子壳层出现空位时，外壳层电子将会跃入此壳层以填补空位，同时以发射特征X射线或发射俄歇电子的形式释放原子中过剩的能量。 原子受激后立即放出的这种特征X射线通常又称作X荧光。不同元素发出的特征X射线能量各不相同，因此通过对X射线能量的测量即可知道它是从何种元素发出的，进行元素的定性分析。同时，样品受激后发射某一元素的特征X射线强度与该元素在样品中的含量有关，因此测出X射线的强度就能进行元素的定量分析。
, 百拇医药
原子的外壳层电子跃迁至K壳层空位时发射的特征X射线组成 K系特征X射线，或称之为KX射线。 一个元素的所有特征X射线中,KX射线的能量最大，它的能量与元素的原子序数有关，变化范围从几个keV到100 keV左右。原子序数越大，KX射线的能量越高，穿透能力就越强，且X荧光的产额也越大，这些都对提高探测灵敏度有利。一般来说，由于X荧光很容易被组织吸收，所以，若器官在体内位置较深，则只能测量到原子系数Z>40 的元素发出的KX射线。
X荧光体内测量系统主要由激发X荧光的激发源、X 射线探测器以及对探测器输出信号进行分析的测量仪器等三个部分组成。激发源可以是放射性核素源,如57Co、109Cd等，也可以是X光管。根据待测X射线的能量， X射线探测器常用锂漂移硅〔Si(Li)〕探测器或平面型高纯锗(HPGe)探测器。与探测器相连的多道脉冲幅度分析器用于分析测定特征X 射线的能量和强度，由此计算得骨铅浓度。
目前在实际中应用的测定骨铅浓度的X荧光体内测量系统大体上可分为两类：一类是测定铅的K系特征X射线的，另一类是测定铅的L系特征X射线的。它们分别被称为K XRF骨铅测定法和L XRF骨铅测定法。
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二、57Co或109Cd激发的K XRF方法
Ahlgren 等最先在七十年代成功地建立了体内测量骨铅的方法。他们采用57Co源作为激发源。57Co放出的γ射线能量为122 keV(80%)和136 keV(11%)；铅受激后发出的KX射线能量为72.8 KeV(Kα)和75.0 KeV(Kβ)；测量得到的是指骨中铅的含量。
作为评价测量方法灵敏度的一项指标，常使用最小可测浓度(MDC )或最小探测限(MDL)，其定义为：
(1)
式中，C为被测元素的浓度，Np为测量此浓度的净计数率，Nb为本底计数率，t为测量时间。
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上述57Co方法使用了两个相对的57Co源。总活度为600 MBq，测量时间为30 min时，最小可测浓度约为20 μg/g。这个测量系统建立20年来, 一直对铅接触职业工人进行跟踪监测。
另一种是以109Cd为激发源的K XRF方法，由Somervaille等首先报道。这个方法采用发射88.0 keV γ射线的109Cd源，背散射的几何条件， 测量的是胫骨和跟骨部位。采用这两种不同方法的两组科学家合作对这两个体内测量系统进行了比较研究。若测量精度以一个标准差来表示，三个部位的测量结果中,对胫骨测量的精度最高，为±7.4 μg铅/g骨矿质(骨盐)，测量跟骨的精度为±16.6 μg铅/g骨矿质，而测量指骨的精度最低，为±25.0 μg铅/g骨矿质。测量时辐射对人体的有效剂量当量都很低， 测量跟骨和胫骨只有3～5 μSv，而测量指骨则更低，仅0.1 μSv。
相对而言，109Cd方法比57Co方法的测量灵敏度高， 而且各种测量条件对测量结果的影响比较小(例如，骨的形状、骨的大小、骨密度、骨外覆盖组织的厚度、激发源与体表的距离等因素)。 因此， 世界上采用109Cd K XRF测量系统的实验室比较多,甚至已开发有商业产品。
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三、偏振X射线激发的L XRF方法
L XRF 骨铅测定法测量分析的是铅的L系X射线，能量为10.55 KeV( Lα)和12.61 keV(Lβ)。因而探测部分采用Si(Li)探测器， 而不象K XRF方法那样采用平面型高纯锗探测器。从式(1)可以看出，为了减小测量的探测限，可以通过降低本底计数率Nb的方法来实现。Wielopolski 等采用偏振光子束作激发源做到这一点。它的原理是：一般X光管发出的X射线束经低原子序数物质的散射，在与入射方向成90o的方向上即可获得偏振光子束。再将探测器放在与偏振光子束入射方向成90o的方向上测量，非相干散射光子的计数明显减少，即本底计数大大减少，从而提高测量灵敏度。这种方法或称为偏振X射线激发的L XRF方法。 这一方法测量胫骨的铅含量时，测量时间取16 min，最小探测限达6.4 μg/g。Rosen〔5〕 认为这个测量系统特别适合对儿童、青少年、育龄妇女等对象的测量。儿童在测量时接受的辐射剂量只相当于牙齿摄片时的二十分之一。
, http://www.100md.com
四、结语
体内测量骨铅浓度的X 荧光分析技术在深入研究铅对健康的危害中得到广泛的应用〔6,7〕。但上述三种测量系统的测量灵敏度仍需进一步提高。最简单的办法是增加测量时间，而这同时也增加了受试者辐射剂量。因此，还是应该在测量系统的各个环节上进行优化工作，选择最佳参数，使探测限减小。另一方面，为了使目前在实验室进行的测量工作能到工作现场去进行，要求把整个测量系统安装成一台操作简便、体积适当的仪器。可以预期，体内测量骨铅浓度的X 荧光分析技术及其应用的研究将在今后进一步得到发展和完善。国内这方面的研究已有报道〔8〕，但这几年发展不大。当前，急需从各方面争取条件，加快对此项技术的开发，以促进我国铅中毒的深入研究和防治工作。
参考文献
1 Borjesson J, Mattsson S. Toxicology; In vivo X- ray Fluorescence for the assessment of heavy metal concentrations in man.Appl Radiat Isot,1995,46:571-576.
, 百拇医药
2 Hu H, Aro A, Payton M,et al. The relationship of bone and blood lead to hypertension: The Normative Aging Study.JAMA,1996,275:1171-1176.
3 Fleming DE, Boulay D, Richard NS,et al. Accumulated body burden and endogenous release of lead in employees of a lead smelter.Environ Health Perspect, 1997,105:224-233.
4 Wedeen RP, Ty A,Udasin I,et al. Clinical Application of in vivo tibial K-XRF for monitoring lead stores. Arch Environ Health,1995,50:355-361.
, 百拇医药
5 Rosen JF. Clinical applications of L-line X-ray fluorescence to estimate bone lead values in lead poisoned children and in children , teen-agers and adults from lead-exposed and non-lead-exposed suburban communities. In: Predecki PK.Advances in X-ray analysis. New York: Plenum Press,1995:573-577.
6 Hu H,Payton M, Korrick S, et al. Determinants of bone and blood lead levels among community-exposed middle-aged to elderly men. Am J Epidemiol,1996, 144:749-759.
7 Hoppin JA, Aro A, Hu H,et al. In vivo bone lead measurement in suburban teenagers. Pediatrics,1997, 100:365-370.
8 黄士斌，刘强，范鸿生. 应用X荧光分析法体内测量骨铅含量的实验研究. 中华物理医学杂志,1993,15:237-239.
(收稿 1997-06-12修回 1998-01-05), http://www.100md.com
单位：200032 上海医科大学基础医学院(黄士斌)，公共卫生学院(傅华)
关键词：
中华物理医学杂志980217 在研究铅与人体健康关系时，通常把血铅作为唯一判断铅吸收或铅接触的生物监测指标。然而，从治疗和研究方面考虑，血铅并不能有意义地作为铅毒代动力学的一个参数。铅在血液中停留的时间很短，血铅水平仅反映最近30～45天内血铅接触情况，而且血铅水平无法反映靶组织中铅的浓度。此外，血铅水平也并不反映体内实际铅负荷。事实上，铅进入体内后大部分沉积于骨中，儿童的铅体负荷中75%蓄积在骨中，成人则占90%以上。所以，骨铅浓度能反映以往整个生命历程中铅蓄积情况。另一方面，骨铅在某些情况下又可释放至血中，成为一个内源性铅库，在当前或将来对人体健康造成潜在的威协。因此，骨铅浓度的测定已成为铅中毒研究中不可缺少的一项生物监测指标。
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活组织检查是测定器官或组织中铅浓度的一种方法，然而这种方法不易为受检者接受，更不宜多次重复进行。另外，测得的结果也仅是取样点的数值而不能表示器官中的平均值。因此，迫切需要一种能直接测定活体内骨铅浓度的非创伤性的体内测量方法。X荧光分析技术就是适应这种需要的一项高新技术，X荧光体内测量骨铅浓度的方法在最近的二十多年中得到了迅速的发展。世界上许多国家的实验室纷纷建立了这种体内测量系统〔1～4〕。
一、X荧光分析(XRF)的基本原理
入射光子与原子相互作用时，光电效应使原子内层轨道电子电离而形成空位。当电子壳层出现空位时，外壳层电子将会跃入此壳层以填补空位，同时以发射特征X射线或发射俄歇电子的形式释放原子中过剩的能量。 原子受激后立即放出的这种特征X射线通常又称作X荧光。不同元素发出的特征X射线能量各不相同，因此通过对X射线能量的测量即可知道它是从何种元素发出的，进行元素的定性分析。同时，样品受激后发射某一元素的特征X射线强度与该元素在样品中的含量有关，因此测出X射线的强度就能进行元素的定量分析。
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原子的外壳层电子跃迁至K壳层空位时发射的特征X射线组成 K系特征X射线，或称之为KX射线。 一个元素的所有特征X射线中,KX射线的能量最大，它的能量与元素的原子序数有关，变化范围从几个keV到100 keV左右。原子序数越大，KX射线的能量越高，穿透能力就越强，且X荧光的产额也越大，这些都对提高探测灵敏度有利。一般来说，由于X荧光很容易被组织吸收，所以，若器官在体内位置较深，则只能测量到原子系数Z>40 的元素发出的KX射线。
X荧光体内测量系统主要由激发X荧光的激发源、X 射线探测器以及对探测器输出信号进行分析的测量仪器等三个部分组成。激发源可以是放射性核素源,如57Co、109Cd等，也可以是X光管。根据待测X射线的能量， X射线探测器常用锂漂移硅〔Si(Li)〕探测器或平面型高纯锗(HPGe)探测器。与探测器相连的多道脉冲幅度分析器用于分析测定特征X 射线的能量和强度，由此计算得骨铅浓度。
目前在实际中应用的测定骨铅浓度的X荧光体内测量系统大体上可分为两类：一类是测定铅的K系特征X射线的，另一类是测定铅的L系特征X射线的。它们分别被称为K XRF骨铅测定法和L XRF骨铅测定法。
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二、57Co或109Cd激发的K XRF方法
Ahlgren 等最先在七十年代成功地建立了体内测量骨铅的方法。他们采用57Co源作为激发源。57Co放出的γ射线能量为122 keV(80%)和136 keV(11%)；铅受激后发出的KX射线能量为72.8 KeV(Kα)和75.0 KeV(Kβ)；测量得到的是指骨中铅的含量。
作为评价测量方法灵敏度的一项指标，常使用最小可测浓度(MDC )或最小探测限(MDL)，其定义为：
(1)式中，C为被测元素的浓度，Np为测量此浓度的净计数率，Nb为本底计数率，t为测量时间。
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上述57Co方法使用了两个相对的57Co源。总活度为600 MBq，测量时间为30 min时，最小可测浓度约为20 μg/g。这个测量系统建立20年来, 一直对铅接触职业工人进行跟踪监测。
另一种是以109Cd为激发源的K XRF方法，由Somervaille等首先报道。这个方法采用发射88.0 keV γ射线的109Cd源，背散射的几何条件， 测量的是胫骨和跟骨部位。采用这两种不同方法的两组科学家合作对这两个体内测量系统进行了比较研究。若测量精度以一个标准差来表示，三个部位的测量结果中,对胫骨测量的精度最高，为±7.4 μg铅/g骨矿质(骨盐)，测量跟骨的精度为±16.6 μg铅/g骨矿质，而测量指骨的精度最低，为±25.0 μg铅/g骨矿质。测量时辐射对人体的有效剂量当量都很低， 测量跟骨和胫骨只有3～5 μSv，而测量指骨则更低，仅0.1 μSv。
相对而言，109Cd方法比57Co方法的测量灵敏度高， 而且各种测量条件对测量结果的影响比较小(例如，骨的形状、骨的大小、骨密度、骨外覆盖组织的厚度、激发源与体表的距离等因素)。 因此， 世界上采用109Cd K XRF测量系统的实验室比较多,甚至已开发有商业产品。
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三、偏振X射线激发的L XRF方法
L XRF 骨铅测定法测量分析的是铅的L系X射线，能量为10.55 KeV( Lα)和12.61 keV(Lβ)。因而探测部分采用Si(Li)探测器， 而不象K XRF方法那样采用平面型高纯锗探测器。从式(1)可以看出，为了减小测量的探测限，可以通过降低本底计数率Nb的方法来实现。Wielopolski 等采用偏振光子束作激发源做到这一点。它的原理是：一般X光管发出的X射线束经低原子序数物质的散射，在与入射方向成90o的方向上即可获得偏振光子束。再将探测器放在与偏振光子束入射方向成90o的方向上测量，非相干散射光子的计数明显减少，即本底计数大大减少，从而提高测量灵敏度。这种方法或称为偏振X射线激发的L XRF方法。 这一方法测量胫骨的铅含量时，测量时间取16 min，最小探测限达6.4 μg/g。Rosen〔5〕 认为这个测量系统特别适合对儿童、青少年、育龄妇女等对象的测量。儿童在测量时接受的辐射剂量只相当于牙齿摄片时的二十分之一。
, http://www.100md.com
四、结语
体内测量骨铅浓度的X 荧光分析技术在深入研究铅对健康的危害中得到广泛的应用〔6,7〕。但上述三种测量系统的测量灵敏度仍需进一步提高。最简单的办法是增加测量时间，而这同时也增加了受试者辐射剂量。因此，还是应该在测量系统的各个环节上进行优化工作，选择最佳参数，使探测限减小。另一方面，为了使目前在实验室进行的测量工作能到工作现场去进行，要求把整个测量系统安装成一台操作简便、体积适当的仪器。可以预期，体内测量骨铅浓度的X 荧光分析技术及其应用的研究将在今后进一步得到发展和完善。国内这方面的研究已有报道〔8〕，但这几年发展不大。当前，急需从各方面争取条件，加快对此项技术的开发，以促进我国铅中毒的深入研究和防治工作。
参考文献
1 Borjesson J, Mattsson S. Toxicology; In vivo X- ray Fluorescence for the assessment of heavy metal concentrations in man.Appl Radiat Isot,1995,46:571-576.
, 百拇医药
2 Hu H, Aro A, Payton M,et al. The relationship of bone and blood lead to hypertension: The Normative Aging Study.JAMA,1996,275:1171-1176.
3 Fleming DE, Boulay D, Richard NS,et al. Accumulated body burden and endogenous release of lead in employees of a lead smelter.Environ Health Perspect, 1997,105:224-233.
4 Wedeen RP, Ty A,Udasin I,et al. Clinical Application of in vivo tibial K-XRF for monitoring lead stores. Arch Environ Health,1995,50:355-361.
, 百拇医药
5 Rosen JF. Clinical applications of L-line X-ray fluorescence to estimate bone lead values in lead poisoned children and in children , teen-agers and adults from lead-exposed and non-lead-exposed suburban communities. In: Predecki PK.Advances in X-ray analysis. New York: Plenum Press,1995:573-577.
6 Hu H,Payton M, Korrick S, et al. Determinants of bone and blood lead levels among community-exposed middle-aged to elderly men. Am J Epidemiol,1996, 144:749-759.
7 Hoppin JA, Aro A, Hu H,et al. In vivo bone lead measurement in suburban teenagers. Pediatrics,1997, 100:365-370.
8 黄士斌，刘强，范鸿生. 应用X荧光分析法体内测量骨铅含量的实验研究. 中华物理医学杂志,1993,15:237-239.
(收稿 1997-06-12修回 1998-01-05), http://www.100md.com